11.4: N-зчеплене білкове глікозилювання починається в ER

Last updated
Save as PDF

Page ID: 3532

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Глікозилювання є важливою модифікацією еукаріотичних білків, оскільки додані залишки цукру часто використовуються як молекулярні прапори або сигнали розпізнавання для інших клітин, які контактують з ними. Існує два типи глікозилювання білка, обидва з яких вимагають імпорту цільового поліпептиду в ЕР. N-зчеплене глікозилювання фактично починається в ендоплазматичному ретикулумі, але О-зчеплене глікозилювання не відбувається, поки поліпептид не буде транспортований в апарат Гольджі. Тому також трапляється так, що N-зчеплене глікозилювання може (і є) зазвичай починатися як спільно-поступальний механізм, тоді як О-зв'язане глікозилювання повинно відбуватися після поступального. Іншими основними відмінностями в двох типах глікозилювання є (1) N-зчеплене глікозилювання відбувається на залишках аспарагіну (N) в межах послідовності N-X-S або N-X-T (X - будь-яка амінокислота, відмінна від P або D), тоді як O-пов'язане глікозилювання відбувається на бічному ланцюзі гідроксильного кисню залишків серину або треоніну визначається не навколишньою послідовністю, а вторинною та третинною структурою; (2) N-зчеплене глікозилювання починається з «дерева» 14 специфічних залишків цукру, яке потім обрізається і реконструюється, але залишається досить великим, тоді як О-зчеплене глікозилювання засноване на послідовному додаванні окремих цукрів, і робить зазвичай не виходять за межі декількох залишків.

Технічно N-глікозилювання починається ще до того, як білок навіть перекладається, оскільки олігосахарид доліхолу пірофосфату (тобто цукрове «дерево» - до речі, не офіційний термін) синтезується в ER (рис.\(\PageIndex{12}\)), не викликаючись перекладом або введенням білка.

Знімок екрана 2018-12-30 в 5.26.03 PM.png — Малюнок\(\PageIndex{12}\). Формування N-глікозилювання «цукрового дерева» і прикріплення до білка. Кожен етап каталізується глікозилтрансферазою. Відзначимо, що цукровими субстратами є цукрові нуклеотиди, а не ізольовані молекули цукру.

Доліхол - це довголанцюговий вуглеводень [між 14-24 одиницями ізопрену 4+1 вуглецю], який знаходиться в основному в мембрані ER, і служить тимчасовим якорем для олігосахариду N-глікозилювання, коли він синтезується і чекає відповідного білка до глікозилату. Синтез олігосахаридів починається з додавання двох залишків N-ацетилглюкозаміну в пірофосфатний лінкер з подальшим маннозою. Від цієї маннози розгалужується олігосахарид, причому одна гілка отримує ще три залишки маннози, а інша - одна. Поки що всі ці добавки до олігосахариду мають місце в цитоплазмі. Тепер гліколіпид перевертається всередину до просвіту ER! Потрапивши в просвіт, додаються ще чотири маннози, і, нарешті, три залишки глюкози зверху структури.

Не всі нуклеозиди використовуються для цього процесу: цукру були знайдені лише пов'язаними з UDP, ВВП та CMP. UDP є найбільш універсальним, що зв'язує N-ацетилгалактозамін (GalNaC), N-ацетилглюкозамін (GlCNaC), N-ацетилмурамінову кислоту, галактозу, глюкозу, глюкуронову кислоту та ксилозу. ВВП використовується для маннози та фукози, тоді як CMP використовується лише для сіалової кислоти.

Ферменти, які здійснюють глікозилювання, є глікозилтрансферазами, специфічними як для доданого залишку цукру, так і для цільового олігосахариду. Цукор, який використовують ферменти, - це не просто цукор, а нуклеотидні цукру - зазвичай цукор, пов'язаний з нуклеозиддифосфат, наприклад, глюкоза урацилового дифосфату (UDP-глюкоза) або GDP-манноза.

N-пов'язаний олігосахарид виконує дві фізіологічні ролі: він виступає основою для подальшого глікозилювання, і він використовується як маркер для перевірки помилок згортання білка системою кальнексин-кальретикулін (рис.\(\PageIndex{13}\)). Після приєднання олігосахариду до нового поліпептиду процес подальшого глікозилювання починається з дії глюкозидази, яка видаляє дві глюкози. Остання глюкоза необхідна для того, щоб допомогти глікопротеїну док з кальнексином або кальретикуліном (рис. 13, крок 1 або 4), які є дуже схожими білками, які мають повільну глюкозидазну активність і асоціюються з білковою дисульфідною ізомеразоподібною активністю.

Білок дисульфід ізомеразоподібна активність походить від ErP57, який технічно є тіол оксидоредуктазою, але функціонально схожий на PDI.

Основна відмінність полягає в тому, що кальретикулін розчинний у просвіті ER, тоді як кальнексин пов'язаний з мембраною ER. Обидва тимчасово утримуються на глікопротеїні, даючи йому час (повторно) складатися і, можливо, переставити дисульфідні зв'язки, потім він видаляє глюкозу, дозволяючи глікопротеїну продовжувати свій шлях. Важливо, що якщо глікопротеїн не був повністю згорнутий (крок 2а), фермент UDP-глюкоза: глікопротеїнова глюкозилтрансфераза (ГТ) розпізнає його і додає назад залишок глюкози (крок 3), змушуючи його знову пройти цикл кальретикулін/кальнексину в надії правильно скласти цей раз. Якщо він був складений правильно (крок 2b), його можна розпізнати за допомогою ER-α-1,2-маннозидази, яка видаляє маннозу, завершуючи модифікації глікозилювання в ER.

Знімок екрана 2018-12-30 в 5.26.13 PM.png — Малюнок\(\PageIndex{13}\). N-глікозилювання можна використовувати при перевірці помилок.

Більшість глікопротеїнів продовжують ремоделювання олігосахаридів після того, як вони були переміщені з ER в апарат Гольджі везикулярним транспортом. Там різні глікозидази і глікозилтрансферази обрізають і додають до олігосахариду. Хоча глікозилювання є послідовним і стереотипним для даного білка, все ще незрозуміло, як саме визначаються схеми глікозилювання.

Знімок екрана 2018-12-30 в 5.26.22 PM.png — Малюнок\(\PageIndex{14}\). N-зчеплене глікозилювання може тривати в Гольджі. Цукор може додаватися і видалятися в різних зразках глікозилтрансферазами, які проживають у Гольджі.

Два поширені антибіотики, тунікаміцин і бацитрацин, можуть націлюватися на N-зчеплене глікозилювання, хоча їх антибіотичні властивості походять від порушення формування клітинних стінок бактерій. Тунікаміцин є аналогом УДП-ГЛКНАК, а всередині еукаріотичних клітин може порушувати початкове утворення олігосахаридів шляхом блокування початкового додавання ГЛКNAC до долихол-фосфату. Оскільки його можна транспортувати в еукаріотичні клітини, тунікаміцин не є клінічно корисним через його токсичність. Бацитрацин, з іншого боку, є невеликим циклічним поліпептидом, який зв'язується з Доліхол-РР, запобігаючи його дефосфорилювання з долихол-Р, який необхідний для побудови олігосахариду. Бацитрацин не проникний для клітин, тому, незважаючи на те, що він має подібну активність до тунікаміцину на бактерії, порушуючи позаклітинний синтез гліколіпідів, необхідний для формування клітинної стінки, він нешкідливий для еукаріотів і, таким чином, є корисним терапевтичним антибіотиком.